JPH02138781A - バイモルフ型圧電素子とその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はアクチエータ等に用いられるバイモルフ型圧電
素子に関するものである。

従来の技術 バイモルフ型圧電素子は、第３図に示すように両面に銀
ペーストを焼付けて電極２を形成した圧電体セラミック
板１を２枚以上エポキシ系の接着剤３などで接着して作
成される。また、第４図に示すように、バイモルフを固
定し大きな振幅を得るため圧電セラミック１１に銀電極
１２を焼付は金属板１４を挟んで接着剤１３で接着させ
た構造も使用されている。しかしながら一般に、接着剤
は圧電セラミックや金属と機械的インピーダンスが大き
く異なるため、これらのバイモルフ型圧電素子では接着
層での損失が大きい。また、この製造においてセラミッ
クの焼成、電極の焼付け、接着と多くの工程を必要とす
る。したがってバイモルフ型圧電素子を一体焼成するこ
とが望まれていた。

発明が解決しようとする課題 圧電体と金属電極層を一体焼成する技術に類似する技術
としては積層セラミックコンデンサを作成する技術があ
る。積層セラミックコンデンサは誘電体のグリーンシー
ト上にパラジウムなどの電極ペーストを印刷し、積層し
た後焼成して作成する。これと同様の方法でバイモルフ
型圧電素子を作成したとき、電圧を印加し素子を変形さ
せると圧電体磁器と電極の境界で剥離してしまう。すな
はち、銀電極のようにガラス成分を含む電極は磁器との
塗れ性が良く充分な接着強度を持たせることができるが
、ガラス成分を含まない電極金属は磁器との接着強度が
充分ではない。また、内部電極にガラス成分を添加する
と焼成時にガラスが磁器に拡散し、圧電性を損なうため
、このような手段をとることができない。

さらに、金属板を圧電体で挟む構造を有するバイモルフ
型圧電素子の場合パラジウム等の貴金属を使用すると素
子が高価となるため実用には供せられない。

本発明はこのような問題点を解決し、圧電セラミックと
内部電極、あるいは圧電セラミックと内部電極及びセラ
ミックに挟まれた金属板を同時に焼成し、接着層での損
失を極力小さくすること、および製造工程を簡単にする
ことを目的とする。

課題を解決するための手段 圧電体磁器と、圧電体磁器にはさまれた少なくとも１層
の内部電極金属層と圧電体の表面に形成された外部電極
から形成されるバイモルフ型圧電素子において、前記圧
電体が耐還元性を有し、かつ前期内部電極が銅、ニッケ
ル、鉄、あるいはこれらを主成分とする合金である構成
とする。

作用 圧電セラミックと金属を同時焼成したとき両者が強固に
結合するには金属表面に薄い酸化皮膜が形成され、この
皮膜とセラミックとが焼成過程で結合する必要がある。

パラジウムや白金などの貴金属は酸化物が形成されない
ためセラミックとの結合が弱くバイモルフ型圧電素子が
変形すると層間で剥離が生じるが、銅、ニッケル、鉄を
含む金属は酸素分圧が低い雰囲気で加熱されたとき酸化
皮膜を生成する。従って同時焼成の雰囲気を選択するこ
とにより圧電セラミックと強固な結合が得られる。しか
しながら空気中のような高い酸素分圧下で加熱されると
これらの金属は酸化してしまい電極を形成しなくなると
同時にこの酸化物がセラミック中に拡散し圧電特性を損
なう。従って、同時焼成の雰囲気は低酸素分圧である必
要があるが、通常使用されている圧電セラミックは低酸
素分圧雰囲気で焼成すると電気抵抗が低下し電気的な損
失が大きくなるため、低酸素分圧下で焼成しても電気抵
抗が低下しない、すなわち、耐還元性を有する圧電体組
成物を使用する。

実施例 実施例　１ 酸化物や炭酸塩を出発原料とし、混合、仮焼後粉砕した
圧電体組成物の粉末を作成する。本実施例では、耐還元
性が得られる組成物として複合ペロブスカイトのＡサイ
トが過剰であり、かつＣａを含む組成である、 Ｐ　ｂｌ、Ｏｃ　ａＯ，０３（Ｍ　ｇｌ／３Ｎ　ｂ２／
３）　０．１２５−Ｔ　１０．４３５ＺｒＯ，４４０３
，０３を選んだ。この粉末を有機バインダおよび溶剤と
ともに混合しスラリーとした。このスラリーをドクター
ブレード法で厚さ０．２ｍｍにシート成形した。得られ
たシートに銅粉末と有機バインダおよび溶剤からなるペ
ーストを印刷し、長さ５０ｍｍ、幅１０ＩＤＩ１１に切
断した。このシートとペーストは各々、第１図に示す圧
電体セラミック２１と銀電極２２を構成するためのもの
である。

切断したシートに同一の寸法に切断したシート（圧電体
セラミック２３を構成する）を重ね、３００ｋｇ／ｃｍ
２の圧力でプレスした。プレス成形体を５ｏｐｐｍの酸
素を含む窒素気流中で加熱し、バインダを焼却した後、
水素−酸素−窒素を混合し、酸素分圧が１０−６気圧に
なるよう混合比を調整しながら昇温し、１０００°Ｃで
２時間焼成した。

焼成体に銅のペーストを塗布し窒素気流中９００°Ｃで
焼き付は外部電極２４．２５および２６を形成した。外
部電極にリード線を半田付けし、素子を１５０　’Ｃの
オイルバスに入れ、直流電圧を外部電極２４．２６には
＋６００Ｖ、２５にはＯＶ印加し分極させる。分極処理
が終わった素子の一端を固定し、１００　Ｖ、　　６０
　Ｈｚの交流電圧印加し、自由端の変位を測定した結果
、０．　５ｎ＋ＩＩ＋の変位が得られることが判った。

共振点における機械的品質係数ＱＭを測定した結果ＱＭ
＝１２０となった。このとき素子は層間で剥離せず、実
用にたる素子が得られた。

比較例として、焼成した圧電体セラミックに銀電極を焼
付け、２枚をエポキシ系の接着剤で張り合わせた素子を
作成し、共振点における機械的品質係数ＱＭを測定した
結果ＱＭ＝５０であった。

実施例　２ ４５％ニッケル鋼の粉末と仔機バインダおよび溶剤を混
合し、　実施例１で述べた圧電体のグリーンシートの成
形と同様に金属のグリーンシートを作製した。このシー
トを幅１０ｍｍ１　長さ８０　ｍｍｌ：切断する（第２
図に示す焼結金属板３３を構成するためのものである）
。また、実施例１で述べた圧電体グリーンシート３１．
３２を幅１０ｍｍ１　長さ５０ｍｍに切断しく第２図に
示す圧電体セラミック３Ｌ３２を構成する）、前述した
金属のグリーンシート３３の両側に一端が揃うように重
ね、３００ｋｇ／昭和の圧力でプレスし、成形した。成
形体を実施例１で述べたようにバインダの焼却後焼成し
外部電極３４．３５を焼付け、分極処理を行った。こう
して得られた素子の金属部分を固定し、１００Ｖ、８０
Ｈｚの交流電圧印加し、自由端の変位を測定した結果１
．　０ｍｍの変位が得られ、繰り返し試験においても、
剥離などの破壊は見られなかった。この素子の共振点に
おける機械的品質係数ＱＭは１５０となった。

発明の効果 本発明のバイモルフ型圧電素子は、接着剤により接着し
たバイモルフ型圧電素子に比べ機械的品質係数が高く、
かつ電圧を印加し実用的な変形を誘起させても層間の剥
離が生じない。また、支持体と電極を兼ねる金属板をセ
ラミックと同時に焼成できるので、素子の作成工程が簡
易となり工業的な価値が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の実施例におけるバイモル
フ型圧電素子を示す断面図、第３図および第４図は従来
のバイモルフ型圧電素子を示す断面図である。 ２１．２３・・・・圧電セラミック、２２・・・・銀電
極、２４，２５．２６・・・・外部電極。 代理人の氏名　弁理士　栗野重孝　ほか１名第１図 第２図 ３づ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電体磁器と、圧電体磁器にはさまれた少なくと
   も１層の内部電極金属層と圧電体の表面に形成された外
   部電極から形成されるバイモルフ型圧電素子において、
   前記圧電体が耐還元性を有し、かつ前期内部電極が銅、
   ニッケル、鉄、あるいはこれらを主成分とする合金であ
   ることを特徴とするバイモルフ型圧電素子。
2. （２）内部電極が酸化皮膜を有することを特徴とする請
   求項１に記載のバイモルフ型圧電素子。
3. （３）圧電体粉末と有機バインダよりなるグリーンシー
   トと、主として金属粉末と有機バインダよりなるグリー
   ンシートとを交互に積層して一体焼成し、焼結した金属
   部分を内部電極と素子の支持体とすることを特徴とする
   バイモルフ型圧電素子の製造方法。
4. （４）内部電極を構成する金属が焼成時に酸化皮膜を形
   成することを特徴とする請求項３に記載のバイモルフ型
   圧電素子の製造方法。
5. （５）主として金属粉末と有機バインダよりなるグリー
   ンシートが、圧電体粉末と有機バインダよりなるグリー
   ンシートから一部露出した積層体を形成し、焼成するこ
   とを特徴とする請求項３に記載のバイモルフ型圧電素子
   の製造方法。。